Los investigadores han demostrado cómo modificar las obleas de silicio disponibles comercialmente en una estructura que absorba eficientemente la energía solar y resista las altas temperaturas necesarias para las plantas de "energía solar concentrada" que pueden funcionar hasta las 24 horas del día.

La investigación avanza los esfuerzos globales para diseñar sistemas híbridos que combinen células solares fotovoltaicas, que convierten la luz visible y ultravioleta en electricidad, dispositivos termoeléctricos que convierten el calor en electricidad, y turbinas de vapor para generar electricidad. Los dispositivos termoeléctricos y las turbinas de vapor serían impulsados ​​por el calor recolectado y almacenado usando espejos para enfocar la luz solar en un "absorbedor y reflector solar selectivo".

Para recolectar eficientemente el calor del sol, Se necesitan superficies especialmente diseñadas basadas en materiales de bajo costo para absorber selectivamente solo fotones de un cierto rango del espectro de luz mientras reflejan otros.

"El punto clave es que para capturar la luz solar de la manera más eficiente posible hay que hacer dos cosas que compiten entre sí:una es absorber tanta energía del sol como sea posible, pero en segundo lugar, no volver a irradiar ese poder, "dijo Peter Bermel, profesor asistente en la Facultad de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Purdue. "Si haces algo realmente caliente, comienza a brillar en rojo, y estamos tratando de evitar que suceda esa reemisión sin dejar de absorber la luz solar ".

Dirigió un equipo de investigación que demostró cómo modificar una oblea de silicio para soportar temperaturas cercanas a los 535 grados Celsius sin perder estabilidad o rendimiento.

"En este estudio, utilizamos obleas de silicio listas para usar como plataforma para diseñar, fabricar, y caracterizar una estructura capaz de absorber mucha luz solar, sin volver a irradiar tanto calor, ", dijo." Agregamos una capa en la parte superior e inferior para darle una mayor capacidad de absorber la luz solar, al mismo tiempo que refleja longitudes de onda más largas ".

Los hallazgos se detallan en un artículo que aparece en línea el 3 de abril en la revista. Letras de física aplicada .

"Este trabajo muestra que la conversión de energía solar térmica de alta eficiencia se puede lograr con estructuras muy simples y materiales comunes, ", dijo el estudiante de posgrado Zhiguang Zhou." Este es un paso clave hacia las aplicaciones reales, y esperamos que inspire más esfuerzos en este camino ".

El dispositivo solar de silicio contiene una capa superior de un revestimiento antirreflectante de nitruro de silicio y una capa reflectante trasera de plata.

'' Demostramos experimentalmente el absorbedor solar selectivo, mostrando una alta eficiencia a altas temperaturas, ", dijo el estudiante de posgrado Hao Tian." La estructura es fácil de fabricar y estable a temperaturas elevadas relevantes para aplicaciones de energía solar concentrada ".

Para complicar la investigación, las propiedades del material cambian drásticamente al pasar de la temperatura ambiente a alrededor de 500 grados Celsius. Ampliando el trabajo previo de investigadores en el campo, el equipo desarrolló un modelo detallado que simula cómo cambian las propiedades del material con el aumento de temperatura. El modelo ayudó a los investigadores a diseñar la estructura construida a partir de obleas de silicio, y condujo al descubrimiento de que un absorbente selectivo hecho de películas delgadas de silicio puede exhibir un rendimiento aún mayor.

Al mismo tiempo, la flexibilidad de las películas delgadas ofrece ventajas potenciales, ya que se pueden aplicar a estructuras curvas como los "colectores cilindro-parabólicos" espejados que se utilizan para los sistemas de energía solar concentrada. Los abrevaderos siguen el sol todo el día, concentrando la energía del sol unas 50 veces.

"No solo estas películas delgadas parecen tener un mejor rendimiento, pero son muy flexibles, para que puedas revestir cualquier superficie, "Dijo Bermel.

Idealmente, el sistema híbrido de energía solar podría lograr eficiencias de más del 50 por ciento, en comparación con el 31 por ciento de las células fotovoltaicas solas. Los investigadores estimaron que con la concentración de 50 soles producida con los colectores cilindro parabólicos, es posible convertir el 51,5 por ciento de la luz solar en utilizable, calor de alto grado a 490 grados Celsius.

El artículo de Applied Physics Letters fue escrito por Tian y Zhou; el estudiante de pregrado Tianran Liu; la estudiante de posgrado Cindy Karina del Instituto Federal Suizo de Tecnología; El investigador postdoctoral asociado de Purdue Urcan Guler; Vladimir Shalaev, el Profesor Distinguido Bob y Anne Burnett de Ingeniería Eléctrica e Informática; y Bermel.

"Estos resultados complementan nuestro trabajo anterior en el diseño de sistemas solares híbridos y representan uno de los componentes experimentales clave de un sistema de energía solar con almacenamiento integrado para la generación de energía solar las 24 horas del día". "Dijo Bermel.

Las investigaciones futuras incluirán trabajos para estudiar el enfoque flexible basado en película delgada. El objetivo a largo plazo es incorporar todos los componentes en un sistema de trabajo para la generación continua de electricidad. Estos sistemas pueden encontrar aplicaciones tanto para la generación de energía a gran escala como para pequeños sistemas residenciales.